PSpioneer.netserv.chula.ac.th/~spornthe/IonChannels.pdf · 4 Bioinorganic Chemistry PS...
Transcript of PSpioneer.netserv.chula.ac.th/~spornthe/IonChannels.pdf · 4 Bioinorganic Chemistry PS...
1
Bio
inor
gani
c C
hem
istr
y
Bio
inor
gani
c C
hem
istr
y
PS
จุฬาลงจุฬาลงกรณกรณมหาวิทยาลัยมหาวิทยาลัยจุฬาลงจุฬาลงกรณกรณมหาวิทยาลัยมหาวิทยาลัย
Ion Ch
annels
& Pu
mps
Ion Ch
annels
& Pu
mps
• กระบวนการควบคุมและรักษาระดบัปริมาณโลหะในเซลล
Uptake
UtilizationStorage
Excretion
Cell
subtancesor ions
Membrane
cytoplasm
บทท่ี 7ไอออนแชลแนลและไอออนปม
substancesor ions
Bio
inor
gani
c C
hem
istr
y
Bio
inor
gani
c C
hem
istr
y
PS
จุฬาลงจุฬาลงกรณกรณมหาวิทยาลัยมหาวิทยาลัยจุฬาลงจุฬาลงกรณกรณมหาวิทยาลัยมหาวิทยาลัย
Ion Ch
annels
& Pu
mps
Ion Ch
annels
& Pu
mps
โลหะถูกดูดซมึเขาสูเซลล- การลําเลียงสารเขาออกเซลลตองผานชั้นเมมเบรน- ไอออนหรือสารบางชนิดผานเขาออกเซลลโดยตรงไมได ตองอาศัยสารหรือโมเลกุลอ่ืนชวย
2
Bio
inor
gani
c C
hem
istr
y
Bio
inor
gani
c C
hem
istr
y
PS
จุฬาลงจุฬาลงกรณกรณมหาวิทยาลัยมหาวิทยาลัยจุฬาลงจุฬาลงกรณกรณมหาวิทยาลัยมหาวิทยาลัย
Ion Ch
annels
& Pu
mps
Ion Ch
annels
& Pu
mps
• โมเลกุลชวยเหลานี้ตองสามารถอยูในชั้นเมมเบรนได • โมเลกุลชวยที่สําคัญคือโปรตีน เรียกวาอินทิกรัลเมมเบรนโปรตีน (integral membrane proteins)• อินทิกรัลเมมเบรนโปรตีนที่สําคัญไดแก ไอออนแชลแนล ไอออนทรานสปอรเตอร
Bio
inor
gani
c C
hem
istr
y
Bio
inor
gani
c C
hem
istr
y
PS
จุฬาลงจุฬาลงกรณกรณมหาวิทยาลัยมหาวิทยาลัยจุฬาลงจุฬาลงกรณกรณมหาวิทยาลัยมหาวิทยาลัย
Ion Ch
annels
& Pu
mps
Ion Ch
annels
& Pu
mps
7.1 โครงสรางและองคประกอบของเซลลเมมเบรน
3
Bio
inor
gani
c C
hem
istr
y
Bio
inor
gani
c C
hem
istr
y
PS
จุฬาลงจุฬาลงกรณกรณมหาวิทยาลัยมหาวิทยาลัยจุฬาลงจุฬาลงกรณกรณมหาวิทยาลัยมหาวิทยาลัย
Ion Ch
annels
& Pu
mps
Ion Ch
annels
& Pu
mps
Models of membranes
Gortner & Grendel's bilayers (1925)
Langmuir's monolayers (1920)
Micelles
Liposomes
Bio
inor
gani
c C
hem
istr
y
Bio
inor
gani
c C
hem
istr
y
PS
จุฬาลงจุฬาลงกรณกรณมหาวิทยาลัยมหาวิทยาลัยจุฬาลงจุฬาลงกรณกรณมหาวิทยาลัยมหาวิทยาลัย
Ion Ch
annels
& Pu
mps
Ion Ch
annels
& Pu
mps
การลําเลียงไอออนผานชั้นเมมเบรนตองอาศัยตัวนําสง เรียกวา Transporter หรือ Carrier โมเลกุลตัวนําสงในเซลล สวนใหญเปนโปรตีนชนิด membrane proteins
• เมมเบรนโปรตีน (membrane proteins) : hydrophobic & hydrophilic parts
4
Bio
inor
gani
c C
hem
istr
y
Bio
inor
gani
c C
hem
istr
y
PS
จุฬาลงจุฬาลงกรณกรณมหาวิทยาลัยมหาวิทยาลัยจุฬาลงจุฬาลงกรณกรณมหาวิทยาลัยมหาวิทยาลัย
Ion Ch
annels
& Pu
mps
Ion Ch
annels
& Pu
mps
7.2 กลไกการเคลื่อนไอออนผานเซลลเมมเบรน สองวิธีคือ - active transport : กระบวนการการเคลื่อนที่ของโมเลกุลของสารจากบริเวณที่มีความเขมขนของสารนอยกวาไปยังบริเวณที่มีความเขมขนของสารมากกวา - passive transport : กระบวนการการเคลื่อนที่ของโมเลกุลของสารจากบริเวณที่มีความเขมขนของสารมากกวาไปยังบริเวณที่มีความเขมขนของสารนอยกวา
Bio
inor
gani
c C
hem
istr
y
Bio
inor
gani
c C
hem
istr
y
PS
จุฬาลงจุฬาลงกรณกรณมหาวิทยาลัยมหาวิทยาลัยจุฬาลงจุฬาลงกรณกรณมหาวิทยาลัยมหาวิทยาลัย
Ion Ch
annels
& Pu
mps
Ion Ch
annels
& Pu
mps
แอคทีฟแทรนสปอรต
การเคลื่อนที่ของสารหรือไอออนผานเมมเบรนโดยโมเลกุลที่นําสงไอออนตองการพลังงานเพื่อใชในการเคลื่อนที่ สารหรือไอออนเคลื่อนที่จากที่ที่มีความเขมขนต่ํากวาไปที่ที่มีความเขมขนสูงกวา แอคทีฟแทรนสปอรตจึงเปนการเคลื่อนที่แบบ uphill gradient
ตองใชพลังงานกระตุนซึ่งไดจากกระบวนการเปลี่ยน ATP เปน ADP โปรตีนทําหนาที่แทรนสปอรตไอออนดวยวิธีนี้ ไดแก ไอออนปม
5
Bio
inor
gani
c C
hem
istr
y
Bio
inor
gani
c C
hem
istr
y
PS
จุฬาลงจุฬาลงกรณกรณมหาวิทยาลัยมหาวิทยาลัยจุฬาลงจุฬาลงกรณกรณมหาวิทยาลัยมหาวิทยาลัย
Ion Ch
annels
& Pu
mps
Ion Ch
annels
& Pu
mps
แพสซีพแทรนสปอรต เปนการเคลื่อนที่ของสารหรือไอออนผานเมมเบรนโดยโมเลกุลที่นําสงไอออนไมตองการพลังงานเพื่อใชในการเคลื่อนที่ แพสซีพแทรนสปอรตขึ้นอยูกับโปรตีนและองคประกอบที่เปนเยื่อเลือกผาน (permeability) ของเซลลเมมเบรน กลไกแพสซีพแทรนสปอรตมี 3 ประเภท คือ การแพร (diffusion) การกรอง(filtration) และออสโมซิส (osmosis)
Bio
inor
gani
c C
hem
istr
y
Bio
inor
gani
c C
hem
istr
y
PS
จุฬาลงจุฬาลงกรณกรณมหาวิทยาลัยมหาวิทยาลัยจุฬาลงจุฬาลงกรณกรณมหาวิทยาลัยมหาวิทยาลัย
Ion Ch
annels
& Pu
mps
Ion Ch
annels
& Pu
mps
การแพรของสารผานเมมเบรนมี 2 ชนิด คือ
การแพรที่ตองใชโมเลกุลนําสง (facilitated diffusion)
การแพรดวยการเคลื่อนของสารเอง(diffusion)Brownian motion through concentration gradient
6
Bio
inor
gani
c C
hem
istr
y
Bio
inor
gani
c C
hem
istr
y
PS
จุฬาลงจุฬาลงกรณกรณมหาวิทยาลัยมหาวิทยาลัยจุฬาลงจุฬาลงกรณกรณมหาวิทยาลัยมหาวิทยาลัย
Ion Ch
annels
& Pu
mps
Ion Ch
annels
& Pu
mps
• ความเปนไฮโดรโฟบิกของเมมเบรน ทําใหไอออนไมซึมผานเขาเซลลไดโดยตรง • Ion transporter เชน Ion channels สามารถสรางโพรงไฮโดรฟลิกใหไอออนเคลื่อนที่ผานชั้นเมมเบรน(ลด energy barrier)
Without channel
เมมเบรน
ไอออ
น ภายน
อกเซล
ลcytoplasm
With channel
Free E
nergy
Activation energy with and without channels
Thermodynamic driving force
Bio
inor
gani
c C
hem
istr
y
Bio
inor
gani
c C
hem
istr
y
PS
จุฬาลงจุฬาลงกรณกรณมหาวิทยาลัยมหาวิทยาลัยจุฬาลงจุฬาลงกรณกรณมหาวิทยาลัยมหาวิทยาลัย
Ion Ch
annels
& Pu
mps
Ion Ch
annels
& Pu
mps
Ion Transporter• เปนโปรตีนลําเลียงไอออนที่แทรกอยูในชั้นเซลลเมมเบรน • ทําหนาที่ชวยการผานเขา-ออกของไอออน เชน Na+, K+, Ca2+ H+, Cl- โดยการลด energy barrier ในการผานชั้นเซลลเมมเบรน• ปริมาณไอออนที่ผานเซลลเมมเบรนจะเกิด Ionic Gradient ซ่ึงมีความสําคัญในกระบวนการสะสมพลังงาน และการทํางานของระบบประสาท•มี 2 กลุม โดยแบงตามวิธีการลําเลียงไอออน คือ
1. Pumps : เชน เอ็นไซม Na+-K+ ATPase เปนพวกที่ตองอาศัยพลังงานจากปฏิกิริยา phophorylation (ATP ---> ADP) ในการปมไอออน
2. Channels หรือ Carrier : พวกที่อาศัยปจจัยอ่ืนที่ไมใชพลังงานจากปฏิกิริยา phophorylation ในการลําเลียงไอออน
7
Bio
inor
gani
c C
hem
istr
y
Bio
inor
gani
c C
hem
istr
y
PS
จุฬาลงจุฬาลงกรณกรณมหาวิทยาลัยมหาวิทยาลัยจุฬาลงจุฬาลงกรณกรณมหาวิทยาลัยมหาวิทยาลัย
Ion Ch
annels
& Pu
mps
Ion Ch
annels
& Pu
mps
7.2.1 ไอออนปมเปนไอออนแทรนสปอรเตอร ที่นําไอออนเขาและออกเซลลโดยตองใชพลังงานจาก ATP ในการทํางาน กลไกชนิดนี้เปนแอคทีฟแทรนสปอรต ไอออนปมที่รูจักกันดคีือโซเดียม-โปแตสเซียมปม (Na+/K+ pump)
Bio
inor
gani
c C
hem
istr
y
Bio
inor
gani
c C
hem
istr
y
PS
จุฬาลงจุฬาลงกรณกรณมหาวิทยาลัยมหาวิทยาลัยจุฬาลงจุฬาลงกรณกรณมหาวิทยาลัยมหาวิทยาลัย
Ion Ch
annels
& Pu
mps
Ion Ch
annels
& Pu
mps
• กระบวนการลําเลียงไอออนโดยอาศัยแรงขับดันหรือปมใหไอออนผานเขาหรือออกเซลลในทิศสวนทางกบัศักยไฟฟาสมดุลหรือ ionic gradient • กระบวนการปมของไอออนอาศัยพลังงานจากปฏกิิริยาไฮโดรลิซิส ATP หรือปฏิกิริยา phosphorylation• ปฏิกิริยา Hydrolysis ของ ATP อาศัยเอ็นไซม Na+-K+ ATPase แสดงตามสมการ
3Na+in + 2K+
out + ATP + H2O 2Na+out + 2K+
in +ADP +Pi
Active ion-transport โดยไอออนปม
ใน 1 cycle เอ็นไซม Na+-K+ ATPase ปม 3 Na+ ออกนอกเซลล และปม 2 K+ เขาสูเซลล
8
Bio
inor
gani
c C
hem
istr
y
Bio
inor
gani
c C
hem
istr
y
PS
จุฬาลงจุฬาลงกรณกรณมหาวิทยาลัยมหาวิทยาลัยจุฬาลงจุฬาลงกรณกรณมหาวิทยาลัยมหาวิทยาลัย
Ion Ch
annels
& Pu
mps
Ion Ch
annels
& Pu
mps
กลไกวงจรการทํางานของ Na+/K+ pump
3Na+in + 2K+
out + ATP + H2O 3Na+out + 2K+
in +ADP +Pi3Na+in + 2K+
out + ATP + H2O 3Na+out + 2K+
in +ADP +Pi
Bio
inor
gani
c C
hem
istr
y
Bio
inor
gani
c C
hem
istr
y
PS
จุฬาลงจุฬาลงกรณกรณมหาวิทยาลัยมหาวิทยาลัยจุฬาลงจุฬาลงกรณกรณมหาวิทยาลัยมหาวิทยาลัย
Ion Ch
annels
& Pu
mps
Ion Ch
annels
& Pu
mps
7.2.2 ไอออนแชลแนล
ทํางานโดยการเปด-ปดทางที่ใหไอออนผานเขาหรือออกจากเซลล มีหลายชนิด แตละชนิดทํางานเมื่อถูกกระตุนดวยปจจัยทีแ่ตกตางกันไป เชน voltage gated channels เปนแชลแนลที่อาศัยการเปลี่ยนแปลงของศักยไฟฟาในการทํางาน acetylecholine receptor เปนแชลแนลที่มีสารส่ือประสาท (neurotransmitter) เปนตัวกระตุนใหทํางาน หรือ calcium-activated potassium channels light-gated channels หรือ ligand-gated channels เปนแชลแนลที่อาศัย Ca2+ แสง หรือลิแกนดเปนตัวกระตุนใหทํางาน
9
Bio
inor
gani
c C
hem
istr
y
Bio
inor
gani
c C
hem
istr
y
PS
จุฬาลงจุฬาลงกรณกรณมหาวิทยาลัยมหาวิทยาลัยจุฬาลงจุฬาลงกรณกรณมหาวิทยาลัยมหาวิทยาลัย
Ion Ch
annels
& Pu
mps
Ion Ch
annels
& Pu
mps
Passive ion-transport โดย ไอออนแชลแนลลําเลียงไอออนผานชั้นเมมเบรนโดยใช Channels หรือ Carrier
1. Carrier : ไอออนถูกจับดวยโมเลกุลพาหะ (carrier) อัตราเร็วของการเคลื่อนที่ขึ้นอยูกับ diffusion coefficient ของโมเลกุลพาหะ
2. Channels : สรางชองที่เรียกวา Pore ไอออนจะ flow ผานเมมเบรนทาง Pore โดยโปรตีนเปลี่ยนคอนฟอรเมชัน (closed, open, inactivated) แตจะไมมีการเคลื่อนที่เหมือนกับ carrier
Bio
inor
gani
c C
hem
istr
y
Bio
inor
gani
c C
hem
istr
y
PS
จุฬาลงจุฬาลงกรณกรณมหาวิทยาลัยมหาวิทยาลัยจุฬาลงจุฬาลงกรณกรณมหาวิทยาลัยมหาวิทยาลัย
Ion Ch
annels
& Pu
mps
Ion Ch
annels
& Pu
mps
Ion Channels มีสภาวะที่เปน open state closed state หรือ inactivated state โดยอาศัยปรับเปลี่ยน conformation ตามจังหวะการทํางาน
inactivated (resting) stateclosed open
10
Bio
inor
gani
c C
hem
istr
y
Bio
inor
gani
c C
hem
istr
y
PS
จุฬาลงจุฬาลงกรณกรณมหาวิทยาลัยมหาวิทยาลัยจุฬาลงจุฬาลงกรณกรณมหาวิทยาลัยมหาวิทยาลัย
Ion Ch
annels
& Pu
mps
Ion Ch
annels
& Pu
mps
7.3 ศักยไฟฟาเมมเบรน (membrane potential, Em)• คือความตางศักยระหวางศักยไฟฟาเมมเบรนชั้นนอกกบัศักยไฟฟาเมมเบรนช้ันใน• ศักยไฟฟาที่ไมเทากันนี้เกดิจากความเขมขนของไอออนระหวางนอกและในเซลลไมเทากัน ดังนั้นทีบ่ริเวณเมมเบรนจึงเกิด ionic gradient ซ่ึงเปน driving force ในการลาํเลียงไอออน • คา ionic gradient ขึ้นกับความแตกตางของความเขมขนและประจุของไอออน • ionic gradient เนื่องจากความเขมขนเรียกวา concentration gradient หรือ chemical gradient • ionic gradient เนื่องจากประจุเรียกวา electrical gradient• ดังนั้น ionic gradient เนื่องจากทั้งสองปจจัยเรียกวา electrochemical gradient
Bio
inor
gani
c C
hem
istr
y
Bio
inor
gani
c C
hem
istr
y
PS
จุฬาลงจุฬาลงกรณกรณมหาวิทยาลัยมหาวิทยาลัยจุฬาลงจุฬาลงกรณกรณมหาวิทยาลัยมหาวิทยาลัย
Ion Ch
annels
& Pu
mps
Ion Ch
annels
& Pu
mps
Concentration Gradient หรือ chemical gradient เกิดจากความเขมขนของไอออนที่ไมเทากันระหวางนอกเซลลและในเซลลElectrical Gradient เปนคาประจุที่ตางกันของไอออน คา electrical gradient เปนผลจากคา concentration gradient ดวย
เมมเบรน1
X+ Y-2
X+ Y-
Permeable to X+
[XY]1 > [XY]2
---
---
+ + +
+ +
+
---- + + +
+ - X+ ไหลผานจาก 1 2 ตาม concentration (chemical) gradient- การเคลื่อนที่ของประจุทําใหเปลี่ยนคาศักยไฟฟาเมมเบรน โดย 2(+) และ 1(-) เกดิ electrical gradient (X+
2 X+1)
Concentration Gradient & Electrical Gradient
11
Bio
inor
gani
c C
hem
istr
y
Bio
inor
gani
c C
hem
istr
y
PS
จุฬาลงจุฬาลงกรณกรณมหาวิทยาลัยมหาวิทยาลัยจุฬาลงจุฬาลงกรณกรณมหาวิทยาลัยมหาวิทยาลัย
Ion Ch
annels
& Pu
mps
Ion Ch
annels
& Pu
mps
คาศักยไฟฟาเมมเบรนขึ้นอยูกับปจจัยสามประการ ไดแก
1) ความเขมขนของไอออนที่อยูในและนอกเซลล
2) สมบัติเลือกผานที่มีตอไอออน (the permeability of ions) ของเซลลเมมเบรน ซ่ึงขึ้นอยูกับชนดิหรือสภาพการนําไฟฟาของไอออนแชลแนล และ
3) ประสิทธิภาพการทํางานของไอออนปมเพื่อคงสภาพความเขมขนของไอออนใหอยูในสภาวะสมดุล
Bio
inor
gani
c C
hem
istr
y
Bio
inor
gani
c C
hem
istr
y
PS
จุฬาลงจุฬาลงกรณกรณมหาวิทยาลัยมหาวิทยาลัยจุฬาลงจุฬาลงกรณกรณมหาวิทยาลัยมหาวิทยาลัย
Ion Ch
annels
& Pu
mps
Ion Ch
annels
& Pu
mps
คาศักยไฟฟาเมมเบรนในสภาวะสมดุลเรียกวา equilibrium potential, Ex
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛=
in
out
xx c
cFz
RTE ln
R = คาคงที่ของแกส (gas constant) เทากับ 8.314 J K-1 mol-1T = อุณหภูมิสัมบูรณ (ในรางกายเทากับ 310 K)z = ประจุของไอออน F = คาคงที่ฟาราเดย เทากับ 96485 C mol-1cout = ความเขมขนของไอออนภายนอกเซลล (M)cin = ความเขมขนของไอออนภายในเซลล (M)
12
Bio
inor
gani
c C
hem
istr
y
Bio
inor
gani
c C
hem
istr
y
PS
จุฬาลงจุฬาลงกรณกรณมหาวิทยาลัยมหาวิทยาลัยจุฬาลงจุฬาลงกรณกรณมหาวิทยาลัยมหาวิทยาลัย
Ion Ch
annels
& Pu
mps
Ion Ch
annels
& Pu
mps
ความเขมขนของไอออนในเซลลและนอกเซลลและศักยไฟฟาสมดุล
[Na+]extracellular > [Na+]intracellular Na+ มีแนวโนมที่จะเขาสูเซลล [K+]extracellular < [K+]intracellular K+ มีแนวโนมที่จะออกนอกเซลล
พิจารณาตามศักยไฟฟาสมดุล (Equilibrium potential)
Bio
inor
gani
c C
hem
istr
y
Bio
inor
gani
c C
hem
istr
y
PS
จุฬาลงจุฬาลงกรณกรณมหาวิทยาลัยมหาวิทยาลัยจุฬาลงจุฬาลงกรณกรณมหาวิทยาลัยมหาวิทยาลัย
Ion Ch
annels
& Pu
mps
Ion Ch
annels
& Pu
mps
ตัวอยางเชน คาศักยไฟฟาของ Na+ และ K+ ใน mammalian cell กรณี Na+ :
mMmM
CmolKmolJKNaV
12145ln
)485,96)(1()310)(314.8()(
1
11
−
−−+ =
= +68 mV
กรณี K+ : Cout = 4 , Cin =155 V(K+) = -99 mV
•คาศักยไฟฟาคาํนวณไดโดยอาศัยสมการของเนินสต ไดดังนี้
in
out
CC
nFRTV ln=
ความเขมขนของไอออนนอก (Cout) และใน (Cin) เซลล
13
Bio
inor
gani
c C
hem
istr
y
Bio
inor
gani
c C
hem
istr
y
PS
จุฬาลงจุฬาลงกรณกรณมหาวิทยาลัยมหาวิทยาลัยจุฬาลงจุฬาลงกรณกรณมหาวิทยาลัยมหาวิทยาลัย
Ion Ch
annels
& Pu
mps
Ion Ch
annels
& Pu
mps
7.4 การนําไฟฟาของเมมเบรน (membrane conductance)
- คาการนําไฟฟาของเมมเบรนขึ้นกับอัตราไอออนที่เคลื่อนที่เขาหรือออกเซลล ซ่ึงสัมพันธกับชนดิและความสามารถในการเลือกผานไอออน (ion permeability) ของตัวพาไอออน เชน ไอออนแชลแนล- ไอออนแชลแนลจึงเปรียบเสมือนตัวนําไฟฟาชนิดหนึ่ง
Bio
inor
gani
c C
hem
istr
y
Bio
inor
gani
c C
hem
istr
y
PS
จุฬาลงจุฬาลงกรณกรณมหาวิทยาลัยมหาวิทยาลัยจุฬาลงจุฬาลงกรณกรณมหาวิทยาลัยมหาวิทยาลัย
Ion Ch
annels
& Pu
mps
Ion Ch
annels
& Pu
mps
การวัดการนําไฟฟาของโปรตีน พิจารณาจากกับกฎของโอหม ดังนี้I = g V
)( xmxx EEgI −= หนวย A-m-2
gx = การนําไฟฟาของเมมเบรนที่มีตอไอออน x มีหนวยเปน siemenเมื่อ Em ไมเทากับ Ex ทําให Ix ไมเทากับ 0 นั่นแสดงวามีกระแสไฟฟา หรือมีปริมาณสุทธิของไอออนผานเขา-ออกเซลลไมเทากับ 0
ถา Em < Ex ทําให Ix มีคาเปนลบ เชนในกรณีที่มีปริมาณ K+ เขาเซลลมากกวาออกจากเซลล ที่สภาวะนี้เรียกวา hyperpolarization (รูปที่ 7.7)
ถา Em > Ex ทําให Ix มีคาเปนบวก เชนในกรณีที่มีปริมาณ K+ เขาเซลลนอยกวาออกจากเซลล ที่สภาวะนี้เรียกวา depolarization
14
Bio
inor
gani
c C
hem
istr
y
Bio
inor
gani
c C
hem
istr
y
PS
จุฬาลงจุฬาลงกรณกรณมหาวิทยาลัยมหาวิทยาลัยจุฬาลงจุฬาลงกรณกรณมหาวิทยาลัยมหาวิทยาลัย
Ion Ch
annels
& Pu
mps
Ion Ch
annels
& Pu
mps
Bio
inor
gani
c C
hem
istr
y
Bio
inor
gani
c C
hem
istr
y
PS
จุฬาลงจุฬาลงกรณกรณมหาวิทยาลัยมหาวิทยาลัยจุฬาลงจุฬาลงกรณกรณมหาวิทยาลัยมหาวิทยาลัย
Ion Ch
annels
& Pu
mps
Ion Ch
annels
& Pu
mps
ถามีไอออนมากกวาหนึ่งชนิดผานเขา-ออกเซลล
คาการนําไฟฟาของเมมเบรน (gm) = g1+g2+g3+…
โดยที่คาการนาํไฟฟายอย (fractional conductance, fx) ที่มีตอไอออน x จะคิดเปนสัดสวน คือ
fx = gx/gm
∑=
=n
xxxm fEE
1
15
Bio
inor
gani
c C
hem
istr
y
Bio
inor
gani
c C
hem
istr
y
PS
จุฬาลงจุฬาลงกรณกรณมหาวิทยาลัยมหาวิทยาลัยจุฬาลงจุฬาลงกรณกรณมหาวิทยาลัยมหาวิทยาลัย
Ion Ch
annels
& Pu
mps
Ion Ch
annels
& Pu
mps
ตัวอยางเชน ศักยไฟฟาเมมเบรนที่เกี่ยวของกับการผานของไอออน K+, Na+ และ Cl- คํานวณไดจาก
ClClNaNaKKm fEfEfEE ++=
ที่เซลลประสาท คา fK =0.90, fNa=0.03, fCl=0.07
และ EK =-90mV, ENa = +70mV , ECl=-83 mV
จะไดวา Em = -84.7 mV นั่นหมายถึงคา electrochemical driving force (Em-Ex) สําหรับโปแตสเซียมมีคาเทากับ +5.3mV สําหรับโซเดียมมีคาเทากับ -154.7 mV และสําหรับคลอไรดมีคาเทากับ -1.7mV
Bio
inor
gani
c C
hem
istr
y
Bio
inor
gani
c C
hem
istr
y
PS
จุฬาลงจุฬาลงกรณกรณมหาวิทยาลัยมหาวิทยาลัยจุฬาลงจุฬาลงกรณกรณมหาวิทยาลัยมหาวิทยาลัย
Ion Ch
annels
& Pu
mps
Ion Ch
annels
& Pu
mps
•สวนแทรนสเมมเบรนเซกเมนต (transmembrane segment) หรือทอนแทรนสเมมเบรน•สวนคัดกรองเพื่อเลือกสาร (selectivity filter) •สวนที่มีลักษณะคลายทอหรือโพรง (pore) •สวนรับรูหรือเซนเซอร (sensor)• และสวนที่ทําหนาที่เปด-ปดทางเขาออกของสาร (gate)
7.5 ลักษณะเฉพาะทางโครงสรางและการทํางานของไอออนแชลแนล
16
Bio
inor
gani
c C
hem
istr
y
Bio
inor
gani
c C
hem
istr
y
PS
จุฬาลงจุฬาลงกรณกรณมหาวิทยาลัยมหาวิทยาลัยจุฬาลงจุฬาลงกรณกรณมหาวิทยาลัยมหาวิทยาลัย
Ion Ch
annels
& Pu
mps
Ion Ch
annels
& Pu
mps
1. Transmembrane segment• กรดอะมิโนที่แทรกอยูในชัน้เมมเบรน มีโครงสรางเปนเกลียวอัลฟา • มีหลาย subunit และเกาะรวมกันเพื่อสรางโพรง (Pore) • ภายในโพรงมีสมบัติไฮโดรฟลิก• หันสวนที่เปนไฮโดรโฟบิกสัมผัสเมมเบรน
Bio
inor
gani
c C
hem
istr
y
Bio
inor
gani
c C
hem
istr
y
PS
จุฬาลงจุฬาลงกรณกรณมหาวิทยาลัยมหาวิทยาลัยจุฬาลงจุฬาลงกรณกรณมหาวิทยาลัยมหาวิทยาลัย
Ion Ch
annels
& Pu
mps
Ion Ch
annels
& Pu
mps
Transmembrane Topologyแบบแผนหรือรูปแบบทางโครงสรางที่บอกถึงสวนใดของกรดอะมิโนแทรกอยูในชั้นเมมเบรน
17
Bio
inor
gani
c C
hem
istr
y
Bio
inor
gani
c C
hem
istr
y
PS
จุฬาลงจุฬาลงกรณกรณมหาวิทยาลัยมหาวิทยาลัยจุฬาลงจุฬาลงกรณกรณมหาวิทยาลัยมหาวิทยาลัย
Ion Ch
annels
& Pu
mps
Ion Ch
annels
& Pu
mps
2. Selectivity Filterสวนคัดกรองไอออน สามารถควบคุมชนิดหรือประจุของไอออนใหผาน Channels การคัดกรองขึ้นอยูกับ- solvation/desolvation free energy- ความเหมาะสมระหวางขนาดของชองและ ionic radius
Bio
inor
gani
c C
hem
istr
y
Bio
inor
gani
c C
hem
istr
y
PS
จุฬาลงจุฬาลงกรณกรณมหาวิทยาลัยมหาวิทยาลัยจุฬาลงจุฬาลงกรณกรณมหาวิทยาลัยมหาวิทยาลัย
Ion Ch
annels
& Pu
mps
Ion Ch
annels
& Pu
mps
18
Bio
inor
gani
c C
hem
istr
y
Bio
inor
gani
c C
hem
istr
y
PS
จุฬาลงจุฬาลงกรณกรณมหาวิทยาลัยมหาวิทยาลัยจุฬาลงจุฬาลงกรณกรณมหาวิทยาลัยมหาวิทยาลัย
Ion Ch
annels
& Pu
mps
Ion Ch
annels
& Pu
mps
สมบัติการคัดกรองของ Selectivity Filter บางครั้งถูกนํามาใชแยกชนิดของ ion channel เชน
- Cation channels
- Anion channels
หรือ การคัดกรองที่เฉพาะเจาะจงกับชนดิของไอออน นั้นๆ เชน Na+
Channels หรือ K+ Channels เปนตน
Bio
inor
gani
c C
hem
istr
y
Bio
inor
gani
c C
hem
istr
y
PS
จุฬาลงจุฬาลงกรณกรณมหาวิทยาลัยมหาวิทยาลัยจุฬาลงจุฬาลงกรณกรณมหาวิทยาลัยมหาวิทยาลัย
Ion Ch
annels
& Pu
mps
Ion Ch
annels
& Pu
mps
3. Pore
K+ Channels
สวนของ transmembrane ทีท่ําหนาที่เปนโพรงไฮโดรฟลิก เปนชองที่ไอออนผาน เสนผาศูนยกลางตลอดโพรงอาจไมเทากัน (เพื่อควบคุมอัตราการไหลของไอออน) ภายในโพรงอาจมีบอพักเรียกวา water cavity
19
Bio
inor
gani
c C
hem
istr
y
Bio
inor
gani
c C
hem
istr
y
PS
จุฬาลงจุฬาลงกรณกรณมหาวิทยาลัยมหาวิทยาลัยจุฬาลงจุฬาลงกรณกรณมหาวิทยาลัยมหาวิทยาลัย
Ion Ch
annels
& Pu
mps
Ion Ch
annels
& Pu
mps
• กระบวนการการลําเลียงไอออนขั้นสุดทาย คือ Gating• Gate เปนกรดอะมิโนที่อยูนอกหรือใน transmembrane ทําหนาที่การเปด-ปดโพรง
- open channel หมายถึงสภาวะที่ Gate เปด- closed channel หมายถึงสภาวะที่ Gate เปด
• Gate จะทํางานโดยไดรับการกระตุนจาก Sensor • Sensor เปนสวนของโปรตีนที่ไวตอการเปลี่ยนแปลงและมีความจําเพาะ เชน ไวตอการเปลี่ยนแปลงศักยไฟฟาเมมเบรน หรือไวตอ exogenous ligand
4. Sensor & GateB
ioin
orga
nic
Che
mis
try
B
ioin
orga
nic
Che
mis
try
PS
จุฬาลงจุฬาลงกรณกรณมหาวิทยาลัยมหาวิทยาลัยจุฬาลงจุฬาลงกรณกรณมหาวิทยาลัยมหาวิทยาลัย
Ion Ch
annels
& Pu
mps
Ion Ch
annels
& Pu
mps
Voltage-gated ion channels เชน Ca2+, Na+, K+ potassium channels
ligand-gated ion channels(extracellular, intracellular) เชน the acetylcholine receptor
+ + +
+
ความจําเพาะของ Sensor & Gate ถูกนํามาใชแยกชนิดของ ion channel เชน
20
Bio
inor
gani
c C
hem
istr
y
Bio
inor
gani
c C
hem
istr
y
PS
จุฬาลงจุฬาลงกรณกรณมหาวิทยาลัยมหาวิทยาลัยจุฬาลงจุฬาลงกรณกรณมหาวิทยาลัยมหาวิทยาลัย
Ion Ch
annels
& Pu
mps
Ion Ch
annels
& Pu
mps
The acetylcholine receptor (AchR)• Ligand-gated ion channels• Acetylcholine : สารส่ือประสาท(neurotransmitter)
• AchR จัดเปน nonspecific cation channel
ON
+
(CH3)3
H3COC
Bio
inor
gani
c C
hem
istr
y
Bio
inor
gani
c C
hem
istr
y
PS
จุฬาลงจุฬาลงกรณกรณมหาวิทยาลัยมหาวิทยาลัยจุฬาลงจุฬาลงกรณกรณมหาวิทยาลัยมหาวิทยาลัย
Ion Ch
annels
& Pu
mps
Ion Ch
annels
& Pu
mps
ที่สภาวะปกติ แชลแนลจะปด (closed state) และเมื่อมีสาร acetylcholine มากระตุน AchR เปดอยูประมาณ 10 msec กอใหเกดิกระแสในระดับ picoamp ซ่ึงจะมีไอออนไหลผานเปนจํานวน 104-105 ไอออน
21
Bio
inor
gani
c C
hem
istr
y
Bio
inor
gani
c C
hem
istr
y
PS
จุฬาลงจุฬาลงกรณกรณมหาวิทยาลัยมหาวิทยาลัยจุฬาลงจุฬาลงกรณกรณมหาวิทยาลัยมหาวิทยาลัย
Ion Ch
annels
& Pu
mps
Ion Ch
annels
& Pu
mps
Patch-Clamp technique